碳纳米片在室温下准备

所提出的程序允许通过新型两亲性分子作为反应性前驱体的自组装及其随后在室温下碳化来低温湿化学制备碳纳米片。通常，碳纳米结构的制备需要高温或高压，并且在这种条件下很难控制所制备碳的形态和化学功能化。开发的方法只需要在室温下进行紫外线照射，即可使碳纳米片的分子定义尺寸低于 2 纳米，横向尺寸约为 2 厘米。

为了实现这一目标，我们制备了分子，这些分子是典型脂肪酸两亲物的反应性、富碳兄弟姐妹，旨在在空气-水界面处自组装成单层。单层具有密集排列的己炔部分阵列，薄膜的碳化产生了一种材料，否则只能在 800 摄氏度以上的温度下获得。首先，在惰性气氛下，将 208 毫克受保护的己烷溶解在 100 毫升 Schlenk 烧瓶中的 15 毫升二氯甲烷中。

然后，加入 10 毫升甲醇。用铝箔遮光烧瓶并加入甲醇酸钠。在室温下搅拌所得混合物 30 分钟后，用 15 毫升二氯甲烷稀释并转移到分液漏斗中。

然后用一摩尔的氯化氢水溶液洗涤一次，然后用饱和氯化钠水溶液洗涤一次。将有机相转移到锥形瓶中，并在 30 克硫酸钠中干燥。过滤有机相后，将滤液浓缩在真空中。

通过柱层析纯化粗品，以分离己炔两亲物为黄色溶液。将此反应产物以稀溶液的形式储存在二氯甲烷中，以尽量减少分解。将 100 微升己炔两亲物的稀储备溶液等分试样涂抹在包含红外反射吸收光谱装置的 Langmuir 槽中的超纯水中。

将 Langmuir 槽平衡 15 分钟，让溶剂蒸发。通过减少带有屏障的 Langmuir 槽的表面积，将层压缩至每米 1 毫牛顿的表面压力，每个分子每分钟 5 埃的恒定压缩率。通过带有滤纸 Wilhelmy 板的表面压力微量天平监测表面压力，并设置 Langmuir 槽的屏障，以保持每米 1 毫牛顿的表面压力。

使用 p 偏振光以 40 度的入射角记录红外光谱。通过进一步减小带有屏障的 Langmuir 槽的表面积，以每分子 5 埃的恒定压缩速率压缩层，从而获得每米 3 米、5 米、最后 8 毫牛顿的表面压力，如表面压力微天平所示。对于每种表面压力，用 p 偏振光以 40 度的入射角记录光谱。

小心地取下包裹 Langmuir 槽的盒子。将紫外线灯安装到支架上，并将其放置在距离水面约 50 厘米的位置，同时确保界面被紫外线锥体覆盖。在确认单层仍然以每米 8 毫牛顿的表面压力压缩后，通过表面压力微量天平测量，设置 Langmuir 槽的屏障，使其固定在当前位置。

将气-水界面暴露在紫外线下。在整个照射过程中，通过配备滤纸 Wilhelmy 板的表面压力微量天平监测和记录表面压力的变化。在总共照射 40 分钟后关闭灯以停止照射。

将 Langmuir 槽封装在密封盒中，以避免界面污染，然后再让设置平衡 30 分钟。然后，设置 Langmuir 槽的屏障，以保持照射后表面压力微天平观察到的表面压力。使用 p 偏振光以 40 度的入射角记录红外光谱。

安装两个先前清洁过的蓝宝石基板，并将两对镊子连接到机械臂上。将底物浸入亚相中，并在铺展前彻底清洁空气-水界面。在 Langmuir 槽中的超纯水中小心地涂抹 100 微升己炔两亲物的稀储备溶液在 DCM 氯仿中。

将 Langmuir 槽平衡 15 分钟，让溶剂蒸发。通过减少带有屏障的 Langmuir 槽的表面积，将层压缩至每米 8 毫净威的表面压力，并以每分子每分钟 5 埃的恒定压缩速率。通过配备滤纸 Wilhelmy 板的表面压力微量天平监测表面压力，并设置 Langmuir 槽的屏障，以维持每米 8 毫牛顿的表面压力。

要将非碳化单层转移到蓝宝石衬底上，请将单层保持在每米 8 毫牛顿的表面压力，并以每分钟 1.2 毫米的速度拉起机械臂，直到第一个衬底从子相中完全去除。第二种底物需要保持浸没在亚相中。小心地从镊子中取出带有非碳化层的第一个基材，将其避光存放，并在需要时将其用于预期的应用。

将紫外线灯安装到支架上，并将其放置在距离水面约 50 厘米的位置，同时确保界面被紫外线的锥体覆盖。确保单层仍然在每米 8 毫牛顿的表面压力下被压缩，并固定屏障的位置。将空气-水界面暴露在紫外线下，同时监测和记录整个照射过程中表面压力变化，由表面压力微量天平测量。

总共照射 40 分钟后，关掉灯以停止照射。为了将碳化膜转移到蓝宝石衬底上，请设置 Langmuir 槽的屏障，以保持照射后测得的表面压力。在保持表面压力恒定的同时，以每分钟 1.2 毫升的速度从界面中缩回固定底物的机械臂，直到底物从亚相中完全去除。

小心地从一对镊子中取出带有碳化层的基材。己炔两亲物的碳 13 核磁共振或 NMR 谱显示了所有 12 个 sp 杂化碳原子的信号。在空气-水界面处一层己炔两亲物的压缩产生了表面压力区等温线，显示两个阶段，陡峭的斜坡被强烈倾斜的高原隔开。

这里显示的是压缩到每米 1 毫牛顿到 8 毫牛顿/米之间的表面压力的己炔两亲物膜的 IRRA 光谱。紫外线照射前（蓝色）和紫外线照射后（红色）的活性碳富碳两亲物薄膜的 IRRA 光谱比较表明，己炔的条带完全消失。这里显示的是布鲁斯特角显微镜实验，在紫外线照射碳化前后，空气-水界面处有一层两亲物膜。

紫外线照射后，观察到薄膜的质地发生明显变化，碳化薄膜可能破裂，在气-水界面处留下漂浮的大岛。在碳纳米片的边缘拍摄的 Langmuir-Schaefer 转移到 Holey 碳 TEM 网格后碳纳米片的扫描电子显微镜图像显示一些悬垂和皱纹。一旦掌握，该技术可用于制备厚度低于 2 纳米的碳纳米片，以及仅受可用 Langmuir 槽尺寸限制的扩展横向尺寸。

在尝试此程序时，请务必仔细清洁气-水界面，并在进行任何实验之前校准实验装置。并且不要忘记己烷两亲物非常敏感，需要采取预防措施，例如避光，以避免过早碳化。经过开发，这项技术为表面涂层或包装领域的研究人员探索碳纳米片作为与其他材料复合材料中的保护层铺平了道路。